作者:赵地 来源:中国科学报 发布时间:2017/7/28 10:19:58
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读《放射性秘史》:从第三朵乌云到蘑菇云
——放射性的秘密历史

《放射性秘史——从新发现到新科学》,【美】玛乔丽·C·马利著,乔从丰等译,上海科技教育出版社2016年12月出版

■赵地

19世纪末,以经典力学、经典电磁理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理学大厦已经建成。很多物理学家都以为,物理学很难再有所作为了。但是,还是有几位目光敏锐的科学家注意到了一些不同寻常的迹象。1900年4月27日,大名鼎鼎的开尔文勋爵在展望20世纪物理学前景时讲道:“动力学理论认为热和光都是运动的方式,现在这一理论的优美和明晰,正被两朵乌云笼罩着。”这“两朵乌云”就是迈克耳孙—莫雷实验的零结果和黑体辐射理论问题。这两朵乌云给物理学带来了一场突如其来的风暴,颠覆了旧理论体系的框架,分别导致了20世纪物理学的两大理论体系——相对论和量子力学——的诞生。

上面这个故事,估计学过高中物理的人都耳熟能详了。但是很多人并不清楚,当时笼罩在物理学上空的除了这两朵乌云,还有一团迷雾——也许算得上是“第三朵”乌云。1895年底,德国物理学家伦琴发现,真空管能够发出一种穿透性极强的不可见射线,因为人们对其一无所知,就把它命名为“X射线”。

前面那两朵乌云尚且有迹可循,开尔文勋爵针对它们分别提出了自己的解决方案,但X射线来无影去无踪,简直是天外来物,他对其是否存在表示非常怀疑,甚至认为这是一个彻头彻尾的骗局。可惜,这次他又错了。后来,伦琴把实验记录和为夫人所摄的手骨照片(这可是世界上第一张X光片)寄给开尔文,他才相信了。

然而,X射线只是这团迷雾的引子。有科学家从X射线联想到了荧光现象(某种物质受光照射后自身发光的现象称为荧光),这两者之间是不是有什么关系呢?法国科学家亨利·贝克勒耳及其父亲都是荧光研究专家,他听了庞加莱有关X射线的演讲之后,回家好好研究了父亲收藏的荧光铀矿石,结果发现,铀矿石不受光照仍然能够发出不可见的射线。这一回,放射性科学才算真正诞生了。

放射性从这个一开始毫不起眼的发现,发展为一门新科学,进而分化为其他学科的历程,远不是一帆风顺,而是从一开始就笼罩在迷雾之中。从头到尾,一个接一个的谜题纷至沓来:铀矿石发出的射线似乎是混合物,那么究竟一共有几种?这些射线本身是什么?发射射线后原子本身发生了什么变化?后来发现放射性物质能不断蜕变成新的放射性物质,直至生成一个长长的衰变链,每种新物质似乎都是一种新元素,可是当时元素周期表只剩4个空缺了,怎么把这些新元素填进去?这么多放射性物质之间又有什么关系呢?放射性过程会释放巨大的热量,这些热量从哪里来?

与此同时,这个历程又是极其短暂的。在解答这些谜题的过程中,放射性科学快速地发展起来,但也快速地分化为其他学科了。就像庄子所说的“混沌”一样,日凿一窍,七日而死——仅仅30余年后,所有问题就得到了解决或转化,迷雾渐渐消散,放射性本身作为一门学科的历史也走到了尽头,与量子力学结合后转化成了核化学、核物理学和粒子物理学。

这段短短30年,却充满着迷雾、困惑和发现之喜悦的历史,构成了图书《放射性秘史——从新发现到新科学》的主题。该书首先把我们带回到那个蒙昧的时代,体会先贤们面对放射性时的迷惑。那时候人们对物质的结构还知之甚少,原子是什么结构,甚至存不存在原子还未可知。科学研究中家庭实验室占了相当大的比例,研究结果良莠不齐。比如《乌合之众》的作者勒邦也来添乱,声称自己发现了“黑光”——其实全是造假。法国物理学家布隆代尔号称自己发现了“N射线”,轰动一时,后来也被证明一点也不可信。真真假假的研究掺杂在一起,复杂的社会和文化因素也牵动着科学研究,先贤们必须破除种种障碍,才能艰难前进一步。

在当时,欧洲大陆科学界中盛行着实证主义思潮。实证主义倡导无明确意义的数学方法,回避对某种现象采用直观模型。

出于实证主义思想,欧洲大陆物理学家试图将放射性也纳入到热学理论中。热学的特点是,根本不需要知道物质内部的结构,用几个方程倒来倒去,就能得到许多正确的结果——这正是标准形式的实证主义理论。而且,当时经典热力学和统计力学已经取得了巨大的成功,被认为是物理学万世不易之基。面对放射性这一团迷雾,欧洲物理学家采用“鸵鸟”策略,根本不管放射性究竟是什么,就套上热力学公式算上一通。在他们看来,只要算得符合实验结果,问题不就解决了吗?他们对机制、模型没兴趣,只认数学公式!

正是因为这个原因,居里夫妇在“放射性过程中原子会不会蜕变”这个关键问题上栽了一个大跟头。作为欧洲大陆物理学家,他们从头到尾都在建立不涉及实质的热力学理论,试图以此解释放射性现象,根本不去考虑“原子会发生变化”这种可能性,结果被新西兰人卢瑟福和英国人索迪抢了先。后者首先提出,放射性是原子核内部发生变化引起的,元素会自发变成另一种元素!有趣的是,后来,居里夫妇的热学研究也证明了自己观点的错误——1摩尔镭每小时能产生令人惊异的22500卡路里热量,而且非常持久,任何化学反应都做不到这一点。

除了讲述放射性科学发展的历程外,《放射性秘史》还讲述了放射性与社会、政治的互动。放射性一经发现,就立即被用于治疗疾病——癌症、肺结核等,随后又因为良好的疗效被人们吹捧成包治百病的灵丹妙药。人们将其添加进牙膏、化妆品中,还去含有放射性物质的温泉沐浴,甚至畅饮号称让人长生不老的“镭水”。诅咒马上就降临了,摄入含镭涂料的刷漆女工不幸患病致死,一位吃含镭补药的美国名流不幸身亡,居里夫人等科学家得上了癌症。这给放射性的正面形象蒙上了阴影。

然而,真正让其形象彻底坍塌的是,1945年第一颗原子弹的爆炸。卢瑟福曾经认为,人们想开发原子能是“痴心妄想”。他说:“我们不可能控制原子能使其具有商业价值,我认为人类永远不可能做到这一点。”可就在仅仅12年后,美国在日本广岛投下了原子弹“小男孩”,震惊了全球,彻底改变了世界的政治形势。放射性这一朵乌云在爆炸声中进化成了蘑菇云,科学不再被人类视作解决一切问题的救世主,再也回不到摆脱政治和社会独立发展的纯真年代了。

《放射性秘史》为我们理解经典物理被现代物理所替代的科学革命提供了一个新视角。比起那两朵乌云,这条科学发展之路与社会和政治的关联更紧密,其影响至今不息,对当代读者极有借鉴意义。

《中国科学报》 (2017-07-28 第6版 读书)
 
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